复合地基极限承载力与稳定研究进展

郑 刚，周海祚

复合地基极限承载力与稳定研究进展

郑 刚1, 2，周海祚1, 2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津 300072)

我国软土地基分布区域广泛，大量建设工程位于软弱土地基，需进行适当的地基处理才能满足工程建设要求．复合地基技术具备提高地基承载力、控制地基沉降和工后沉降效果好、工期短的优点，能够满足高层建筑、高速公路、高速铁路、道路、重载堆场等工程对软弱与不良地基处理的高承载力与稳定性、低沉降(工后沉降)、大面积快速高效与经济处理的迫切要求，逐渐发展成为我国对软弱土地基处理的主要手段．本文在国内外大量研究成果基础上，阐述了复合地基的形成条件以及分类方法，着重对刚性基础下复合地基承载力和柔性荷载作用时复合地基稳定性的有特色和代表性的研究进行回顾和总结．依据桩体自身强度是否发挥，将复合地基的破坏模式分为内部破坏(如：剪切破坏、弯曲/受拉破坏、鼓胀破坏)和外部破坏(如：刺入破坏、倾覆破坏等)两大类．相应地，应考虑不同破坏模式对复合地基极限状态的影响．此外，若仅考虑桩体同时发生破坏会高估复合地基的整体稳定性，对工程造成重大安全隐患．因此，建立考虑桩-土体系渐进破坏的稳定分析方法是十分必要的．最后，本文对性能化设计概念在复合地基技术中的应用前瞻进行了探讨，以期对提高复合地基理论水平和发展绿色节约型复合地基技术有所裨益.

复合地基；柱状加固体；承载力；稳定性

我国大量和广泛分布有各种软弱地基和区域性不良地基(见图1)．其中，沿海地区(环渤海、长三角、福建、珠三角等地区)大量分布深厚软土地基，基本覆盖了我国经济最发达、人口最密集、工程建设量最大的地区．这些软弱或不良地基的分布区域多为淤泥、淤泥质黏土、淤泥质亚黏土等，作为地基时具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、中等灵敏度的特点[1]．在上述软弱或不良地基上进行工程建设，必须对其进行加固处理，以满足建(构)筑物对地基的承载力和沉降要求．

图1 我国软弱地基和不良地基分布

复合地基是地基处理技术中的常用方式，指的是在地基处理过程中，将部分土体增强或置换，或设置加筋材料，形成由加固区基体和增强体两部分组成的人工地基．荷载通过基础将一部分直接传递给地基土体，另一部分通过桩体传递给地基土体，即由增强体与基体同时承担上部荷载[1-2]．复合地基具有可提高地基承载力、控制地基沉降和工后沉降好、工期短的优点，被广泛地应用于软弱地基和区域性不良地基的工程建设中，是我国地基处理的主要措施．近年来，大量的研究致力于复合地基在承载力和稳定性方面，其中不乏有特色和代表性的成果，有必要对其进行系统地回顾和总结．

本文在国内外已有研究成果基础上，首先简要阐述复合地基的形成条件及分类，对比不同类型复合地基的特性，对刚性基础下复合地基极限承载力和柔性荷载下复合地基稳定性的研究进展进行归纳总结，对复合地基的性能化设计及其应用前瞻进行探讨．

1 复合地基的形成与分类

目前我国在工程建设中应用的复合地基形式很多，龚晓南[2]基于增强体设置的方向、增强体的材料和荷载条件3个方面对复合地基进行了划分．

根据复合地基中增强体的设置方向将复合地基分为以下3类：竖向增强体复合地基，水平增强体复合地基以及竖向和斜向增强体相结合的复合地基．其中，竖向增强体复合地基通过在地基中竖向设置的桩体来分担上部荷载、改善天然地基土体的应力分布进而提高承载能力并减小沉降．本文所涉及的复合地基主要针对竖向加固体．

根据其材料特性、有无黏结强度以及抗拉压强度差异可分为：散体类柔性桩、有一定黏结强度的半刚性桩、无筋刚性桩、钢筋混凝土桩以及复合加固体 等[1]．其中，复合加固体即采用以上多种加固体的组合，可以充分发挥复合加固体中各种材料的特点，使复合加固体的性能更加突出．郑刚等[1]针对目前的竖向柱状加固体，根据加固体材料、施工工艺、成桩后加固体强度特征、压缩性等，将其分为4类，其中前3类为单一增强体，如表1所示．不同类型增强体分别具有以下特点．

(1) 散体类柔性桩．桩体无黏结强度、无抗拉与抗弯能力，桩、土模量差异小．散体柔性桩抗剪强度的大小主要取决于周围土体对散体桩的侧向约束[3-4].因此，一般认为散体材料桩不宜加固抗剪强度小于20kPa的软弱土体，可设置土工加筋套筒形成筋箍碎石桩，起到控制鼓胀变形、提高承载力和减少沉降的作用[5]．

(2) 低-中等黏结强度半刚性桩．例如通过高压旋喷注浆法或者深层搅拌法[6]形成的加固体，由于黏结特性，这类桩体具备一定的抗拉强度和抗弯刚度与强度．半刚性桩在承担上部荷载的过程中，桩体与桩间土体之间的相对位移由上至下逐渐减小[7]．

(3) 刚性桩．刚性桩有较高的抗压强度、竖向及水平刚度，上部荷载可通过桩身传递到较深土层，桩身的侧摩阻力以及桩端的端承力都可得到充分的发挥[8]．桩体的应力集中效应明显，桩体承担了大部分上部荷载．随着刚性桩成桩工艺近年来不断成熟，针对圆形桩桩身用料量大、造价高以及传统灌注桩加固深度受限等缺点，提出发展异型桩以及现浇混凝土薄壁管桩等新型刚性桩，具有较大的应用价值[9]．

(4)组合型桩．可以发挥不同材料的特点，优化增强体的工作性能．例如，结合预制钢筋混凝土芯桩和外包砂石壳形成的混凝土芯砂石桩复合地基[10].其中，混凝土芯桩扮演竖向增强体的角色，砂石壳承担竖向排水体的作用，可以有效缩短地基沉降时间.

表1 我国地基处理主要柱状加固体

Tab.1 Main column-type ground reinforcement elements in China

根据复合地基上部荷载条件的不同，可分为刚性基础复合地基以及柔性荷载复合地基．刚性基础的荷载大小随位置有所变化，而基础竖向变形基本一致(见图2(a))．柔性荷载复合地基指的是承受公路、铁路路堤等柔性荷载的复合地基(见图2(b))，这些柔性荷载通过褥垫层传递至复合地基，竖向变形不一致，由于桩土刚度的差异性，在桩间土位置处有较大的竖向变形[11]．本文将基于刚、柔性荷载下不同类型加固体的承载力与稳定问题展开讨论．

图2 复合地基的荷载条件

2 刚性基础下复合地基承载力研究现状

对于均质土层的天然地基，Terzaghi[12]给出了考虑土体黏聚力、基础外超载和土体重度的极限承载力叠加公式．复合地基是一种非均质地基，Terzaghi[12]的解答不再适用于求解此情况的极限承载力．因此，需要根据不同的桩体特性对地基承载力经典解进行修正或者提出新的计算理论，而极限承载力的计算必须结合对复合地基破坏模式的分析．

2.1 散体桩复合地基极限承载力

散体桩单桩通过侧摩阻力或者端部力来将上部荷载传递至周围土体，可能出现3种不同的破坏模 式[13]，如图3所示．①剪切破坏：桩体长度较短时更容易发生(见图3(a))；②鼓胀破坏：桩体长度超过临界长度(大约4倍桩径)时发生[14](见图3(b))；③刺入破坏：类似于刚性桩的破坏模式，此时极限承载力可认为是桩端承载力和桩侧阻力的叠加(见图3(c)).

Thornburn[15]最早以设计图表的形式给出了碎石桩单桩在不排水条件下极限承载力的经验解. Vesic[16]发展了考虑黏性土和无黏土的孔扩张理论，提出了单根碎石桩极限侧摩阻力的解答．Hughes 等[17]假设散体桩足够长，周围土体是弹性或者塑性，应用孔扩张理论求得桩体的围压3(3为被动土压力时的小主应力)，根据经典塑性理论得出大主应力1即为极限承载力u．Greenwood[18]假设桩体在临界深度处达到峰值应力，用被动土压力系数来给出了极限承载力解答．Brauns[19]假设在黏土中桩土之间没有侧摩擦力且体积保持不变，给出了碎石桩单桩的极限侧摩阻力的公式．基于孔扩张理论，Barksdale等[20]引入土体黏聚力的承载力系数，得到了更为简单的单桩极限承力公式，其表达式为

图3 散体桩单桩破坏模式

式中：u为土体不排水抗剪强度；c*为复合地基承载力系数．c*的取值取决于周围土体的强度，他们建议取值范围为18～22．Mitchell[21]基于工程实例，推荐振捣置换法石桩的c*为25．Datye[22]推荐夯扩桩c*为40，套管夯扩桩为45～50．我国的《复合地基技术规范》(GB/T 50783—2012)[23]规定散体桩的竖向抗压承载力特征值可根据下式确定：

a=rupp(2)

式中：p为单桩截面积；ru为桩周土的最大侧限力；p为被动土压力系数．Madhav等[13]采用极限分析上限法得到了考虑剪切破坏的平面应变条件时条形基础下黏性土中单桩的极限承载力．Bouassida等[24]采用极限分析法基于屈服设计理论对平面应变条件、轴对称条件下，考虑土体不同排水条件的单桩加固黏性土复合地基承载力进行求解．Sivakumar等[25]通过一系列单桩试验研究砂桩的荷载-变形关系，认为当桩长超过大约5倍桩径时，桩体承载力不再增加．刘杰等[26]应用弹性理论导出了线弹性状态下桩体及桩周土的应力-应变关系，其结果表明，提高桩体材料的内摩擦角和桩周土对桩的径向围限力是提高散体材料桩复合地基承载力的有效途径．

对于群桩情况，散体桩的破坏模式较单桩情况更为复杂．Mckelvey等[14]在透明软土中进行了一系列室内模型试验，发现长桩发生明显鼓胀现象，短桩较容易发生刺入破坏，其临界长度为6倍桩直径，如图4[13]所示．

图4 散体桩群桩破坏模式

Muir Wood等[27]通过竖向加载模型试验研究了散体桩群桩加固黏土复合地基的破坏模式．结果表明，中间桩发生鼓胀破坏，而侧向约束应力较低、竖向应力较高的边桩易发生屈曲变形；当桩较短时，桩身将荷载传递至软弱土层中的桩端，发生刺入破坏，刺入量随桩长的增加而减少；对于细长桩，出现了侧向屈曲现象，如图5[27]所示．

图5 散体桩群桩变形

散体桩群桩极限承载力的理论方法主要分为基于单桩的方法和均一化方法．早期人们认为出于安全考虑，可由单桩承载力乘以桩数来计算群桩承载 力[17]．之后的研究则大都假设复合地基破坏时呈现均一化状态．Priebe[28]通过采用复合地基的平均摩擦角或者平均黏聚力，计算散体桩群桩的极限承载力．Barksdale等[20]采用Bell的均质土局部剪切破坏理论，将复合地基视为一种均匀材料，提出由极限侧摩阻力和复合抗剪强度来确定极限承载力的计算方法．Priebe[28]考虑单桩的局部膨胀性破坏，这在土体具有较高的刚度和较低的压缩性时是合理的．Black等[29]在室内装置中对不同桩径的散体桩进行了三轴压缩试验，对比其承载力和变形特性．结果表明，在不排水试验中，相同置换率不同桩径的散体桩群桩承载力相同；在排水试验中，大桩径单桩控制沉降的性能更好．Ambily等[30]进了单桩和群桩的散体桩复合地基室内试验，基于此进行了参数分析，并与有限元软件的计算结果进行对比．Shahu等[31]进行不同置换率、桩长、相对密度和桩身材料的摩擦型散体桩的模型试验并对比了有限元计算结果，认为复合地基的破坏形状主要受置换率、桩长、桩身弹性模量、土的超固结比、初始地应力和土强度影响；靠近基础边缘的桩体更容易发生屈曲破坏．Bouassida等[32]用下限法对不考虑刚性基础形状和桩体布置的等效端承群桩复合地基承载力进行研究，确定了对应不同置换率、强度的承载力系数．我国的《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)[33]对散体桩复合地基的承载力给出的估算公式为

(3)

2.2 刚性基础下半刚性桩复合地基极限承载力

水泥土搅拌桩单桩在承受竖向荷载时，可能出现桩身破坏和刺入破坏两种破坏模式．这两种破坏模式所对应的极限承载力分别由两方面因素决定：①桩体材料强度；②桩的极限端阻力和极限侧摩阻力．其破坏模式与土质条件[36-37]、桩体长度等因素密切相关．对此，我国《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)[38]中考虑将桩身破坏和刺入破坏时承载力的较小值作为水泥土搅拌桩单桩的极限承载力．

图6 不同超载下群桩的变形模式和剪切应变速率

水泥土搅拌桩群桩复合地基同样包括桩身破坏和刺入破坏．端承型水泥土搅拌桩复合地基仅可发生桩身破坏，此时单桩的破坏模式主要取决于其在群桩中的相对位置．摩擦型水泥土搅拌桩复合地基既可能发生桩身破坏，也可能发生刺入破坏．关于水泥土搅拌桩群桩复合地基的破坏模式和极限承载力，已有较多的理论研究[31]、试验研究[35-43]和数值研究[44-46]．

Broms[47]给出了适用于端承型水泥土搅拌桩极限承载力公式为

(4)

式中：uc和us分别是桩的无侧限抗压强度和地基土的不排水黏聚力；可取5.5．对于摩擦型水泥土搅拌桩，Broms[48]采用基础沉降为桩径20%时的应力作为极限承载力．Yin等[40]进行了端承型水泥土搅拌桩群桩室内试验，所得极限承载力可以被Broms[49]的公式较好预测．Rashid等[42]通过室内试验观察到端承型水泥土搅拌桩的桩顶发生了剪切破坏，中间桩的破坏位置更深，形成了楔形的破坏形状；边桩向外侧发生位移，形成了弯曲破坏(见图7(a))．对于摩擦型水泥土搅拌桩，群桩的破坏表现为边桩向基础两侧的弯曲，中心桩向下刺入(见图7(b))．

图7 水泥土搅拌桩破坏模式

Dehghanbanadaki等[43]观察到端承型水泥土搅拌桩复合地基呈现渐进式破坏，并且在地表呈现不对称的隆起变形；对于摩擦型水泥土搅拌桩，复合地基呈现刺入破坏，并且极限承载力与Broms[47]公式吻合 较好．

在极限承载力的计算理论方面，Bouassida  等[44-45]基于上限解计算了刚性基础下的水泥土搅拌桩复合地基承载力，认为当桩土抗剪强度比大于30时Broms[49]公式会低估极限承载力．我国现有的承载力深度修正系数为1.0(GB/T 50783—2012《复合地基技术规范》)，忽略了超载对复合地基极限承载力的影响．对于考虑埋深影响的摩擦型水泥土搅拌桩复合地基，Zhou等[46]采用极限分析上限法对承载力和破坏模式进行了研究．结果表明，水泥土搅拌桩复合地基可能发生剪切破坏或者深层破坏两种破坏模式，对于同一种破坏模式承载力系数q随着桩长的增加线性增长；当破坏模式从深层破坏转变为局部剪切破坏时，q值则随着桩长的增加而变小．

2.3 刚性基础下复合地基内外部破坏

复合地基极限承载力的合理评估必须以破坏模式的正确识别为基础[50]．总的来说，刚性基础下复合地基的破坏模式分为两大类：①内部破坏(见图8(a))，表现为整体滑动面贯穿复合地基加固区的浅基础类型破坏，单桩根据其桩体特性和相对位置的不同呈现鼓胀破坏、剪切破坏或者弯曲破坏，其极限承载力主要取决于桩身强度；②外部破坏(见图8(b))，表现为复合地基加固区整体刺入地基土的实体基础类型破坏，桩体并未发生破坏，其极限承载力主要取决于地基土强度和桩体的摩擦特性．发生外部破坏意味着复合地基中桩体的强度未对极限承载力贡献直接作用．

图8 刚性基础下复合地基的破坏模式

3 复合地基稳定研究现状

在路堤荷载下复合地基容易发生失稳(见图9).这种柔性荷载下的稳定性问题需要针对不同的复合地基类型采用不同的计算理论．这些稳定计算理论的建立需要以对破坏模式的正确认识为基础．

图9 路堤失稳破坏

3.1 柔性荷载下复合地基传统稳定计算方法

传统的路堤下复合地基稳定性分析方法主要是极限平衡法，分为瑞典条分法、Janbu法、Bishop法、Sarma法、Spencer法等[51]．我国的公路规范主要采用瑞典条分法对软土地基上路堤的施工期和运营期进行稳定性计算，其分析方法根据不同的强度机理和参数取值又可分为总应力法、总强度法和有效固结应力法．其中，采用总应力法进行稳定分析时的安全系数计算见式(5)．

对于表1中不同类别加固体复合地基进行路堤的稳定分析时均沿用极限平衡法，假定圆弧滑动面并采用滑动面上加固体和土体的复合抗剪强度进行计算．其中，加固体和土体的复合抗剪强度由桩与桩间土两部分强度按面积加权计算而得，即

式中：sp为复合地基的抗剪强度；p为桩体的抗剪强度；为滑弧切线与水平线的夹角；u为桩间土体的不排水抗剪强度；为桩面积置换率．

3.2 柔性荷载下复合地基破坏模式

如上所述，传统的柔性荷载下复合地基稳定计算方法基于桩体土体同时发生剪切破坏的假定．这种剪切破坏的假定对于散体桩是合理的，因为桩体无抗弯刚度进而不产生弯矩[52]．因此，该方法也被用于长期和短期的路堤下散体桩复合地基稳定分析[53-54].然而，表1中其他类别的加固体均具有抗弯刚度，在路堤填筑过程及趋于失稳破坏的过程中，桩体内将产生弯矩并承受拉应力．桩体所受内力情况的改变将进一步导致加固体破坏模式的转变，进而影响路基阻滑贡献的机理，此时桩体土体发生剪切破坏的假定并不适用[55-56]．

Lin等[57]研制了类似真三轴加载的加载设备，该设备可用于模拟搅拌桩复合地基的三维受力状态．通过施加不同大小的主应力对试样进行类似三轴试验中的三轴拉伸和三轴压缩剪切试验．试验结果表明，在三轴拉伸时，桩体受拉破坏，桩体中发生水平断裂(见图10(a))，而三轴压缩时桩体剪切破坏，桩体产生倾斜的剪切破坏面(见图10(b))．试样破坏时前者表现出的宏观强度显著小于后者，这是由拉、压强度显著不同这一特征造成的．

对于群桩复合地基，散体桩的破坏模式主要为桩体土体同时剪切破坏，而复合地基支承路堤下的半刚性、刚性桩还可能发生弯曲、倾覆等多种类型破坏. Kivelo等[58]指出复合地基支承路堤下的桩可能发生多种破坏模式，例如剪切破坏(A)、受压鼓胀破坏(B)、弯曲破坏(C～E)、倾覆破坏(G)以及水平滑移(H)等破坏形式，见图11．

图10 复合地基试样中的桩体破坏模式

图11 复合地基中桩体常见破坏类型

对于水泥土搅拌桩，Broms[59]发现在路堤坡肩下不同位置桩体的潜在破坏模式主要分为弯曲破坏和受拉破坏两种模式．Han等[60-61]和Navin等[62-63]通过数值分析研究了水泥土搅拌桩加固路堤的稳定性，发现传统考虑桩体剪切破坏的极限平衡方法会对稳定性产生高估．Jamsawang等[64]依托实际工程，采用数值模拟的方法分别分析了水泥土搅拌桩考虑剪切破坏和弯曲破坏的稳定安全系数，同样发现考虑桩体弯曲破坏的安全系数显著小于传统方法得到的安全系数．Han等[60]通过数值方法进一步研究了水泥土搅拌桩剪切破坏转变为弯曲破坏的桩体强度临界值，对于超过这一临界值的复合地基，采用传统的考虑剪切破坏计算方法会显著高估路堤稳定性．Chai等[65]根据路堤下水泥土搅拌桩发生弯曲破坏的特点，提出了预测桩体弯曲破坏的回归公式．除了剪切破坏和弯曲破坏，Terashi等[66]通过离心机试验发现，当桩间土体很软弱而桩距较大时容易发生软土绕桩体流动的破坏模式．对于刚性桩，郑刚等[67-68]通过离心机试验方法分析了路堤下刚性桩复合地基的破坏模式，提出了路堤下桩体的二次弯曲破坏理论．郑刚等分析了路堤趋于失稳破坏的过程中桩土相对位移、桩的受力情况及桩的阻滑机理，基于路堤下不同位置单桩的破坏形式及其对路堤稳定贡献机理的差异，提出了加固体的破坏模式分区：拉弯区、弯剪区、压弯区和承压区，这进一步细化了路堤下刚性桩复合地基的破坏机理．在常规路堤下半刚性、刚性桩桩体稳定分析研究中大多基于不同位置桩体同时破坏以及破坏后桩体强度刚度保持不变的基本假定，这种假定忽略了桩体的破坏后性状．Yapage等[69]研究了搅拌桩的破坏后性状，发现桩体发生破坏后强度将因软化现象而有所降低．郑刚等[70]和Zheng等[71]针对刚性桩提出了考虑桩体破坏后性状的本构模型，发现了刚性桩的连续破坏现象并分析了其对路堤稳定性的影响，揭示了桩体弯曲破坏后应力释放引发邻近桩相继破坏的机理，明确了复合地基最终发生整体失稳破坏的关键因素．结果表明，刚性桩复合地基支承路堤的坡肩以下位置桩体首先发生弯曲破坏，引发桩体破坏位置处拉应力及弯矩的迅速下降．此时桩土发生应力重分布，导致邻近桩体拉应力及弯矩上升，可能引发相邻桩体的连续破坏．随着路堤荷载的增大，路堤坡肩以下桩体在较浅位置发生二次弯曲破坏，由于桩体周围土体变形较大，对桩体的约束作用较弱，桩体破坏后难以进一步限制土体变形，因此该位置的二次弯断更易引发周围桩体的连续破坏，并导致路堤失稳．此时复合地基将沿桩体弯曲破坏位置形成塑性滑动面，如图12所示. 若不考虑渐进破坏将显著高估复合地基的稳定性[71]. 复杂桩土相互作用下，桩体的不同破坏模式和土体塑性区的发展，以及所引发的渐进破坏研究尚未得到广泛关注．

图12 刚性桩桩体连续破坏

上述破坏模式中，无论剪切破坏还是弯曲破坏，路堤的稳定性依赖桩体的自身强度；而某些条件下路堤发生失稳与桩体强度无关．Kitazume等[72-73]则在离心机试验中观察到，当桩体抗拉强度相对较小时，桩体发生弯曲破坏(内部破坏)；而当桩体抗拉强度较大时，桩体发生倾覆破坏(外部破坏)，如图13所示.此外，Toshinari等[74]通过离心机及数值模拟研究发现，当下卧土层为倾斜面时，深层搅拌桩复合地基易发生倾覆破坏．Zhou等[75]提出对于下卧层为倾斜面的情况，刚性桩以常规嵌固深度插入硬土层时易发生倾覆破坏．不论发生软土绕桩体流动破坏还是桩体倾覆破坏，即外部破坏发生，此时路堤的稳定性均不主要取决于桩体强度．

图13 路堤下搅拌桩的破坏模式

3.3 柔性荷载下复合地基内外部稳定

综上所述，与刚性基础下的复合地基类似，柔性荷载下复合地基的破坏模式分为内部破坏和外部破坏两大类．为方便比较，本文将破坏模式、常见桩型、稳定性控制因素、现有计算方法效果以及基于工程的建议列在表2．复合地基的内部破坏可分为剪切破坏和弯曲破坏，其稳定性取决于桩体的剪切强度和抗拉强度；复合地基的外部破坏主要表现为土体绕桩体流动破坏和倾覆破坏，此时路堤的稳定性与桩体强度无关．现有的计算方法大多基于桩体同时剪切破坏的假设，对于内部破坏模式，应用在潜在破坏模式为同时弯曲破坏、渐进弯曲破坏工程设计时则会产生不同程度的高估，降低工程的安全性．而对于外部破坏模式，由于桩体强度没有充分发挥，此时无论将破坏模式考虑为剪切破坏或弯曲破坏，都将高估路堤稳定性，增加失稳的可能性．因此，应针对不同的潜在破坏模式采用不同的计算方法进行稳定性评估，同时在设计中应避免外部破坏模式的产生．

3.4 基于性能化的复合地基分析与设计

Zheng等[71]基于复合地基中桩体渐进破坏控制稳定性的理念，明确了路堤下不同位置桩体对路堤稳定性贡献的差别，提出了复合地基关键桩的概念和路堤下复合地基非一致设计方法．实际工程中，为了确保路堤的整体稳定，通常采用简单地提高全部桩体的强度和刚度的方法，这种方法工程造价极高．然而工程中的失稳案例、离心机试验及数值结果均表明，路堤荷载作用下部分位置桩体的弯曲破坏并不会造成路堤失稳，而仅当特定的关键桩发生弯曲破坏或倾覆破坏时，才会导致相邻桩体的连续破坏并引发路堤失稳．因此，针对桩体发生弯曲破坏及倾覆破坏的工况，郑刚等[70]分别提出了提高关键桩抗弯强度及延性的分区非等强设计方法和提高关键桩体嵌固深度的分区非等长设计方法，通过提高少数关键桩桩体特性的方法，可有效、经济地提高路堤整体稳定性．

表2 柔性荷载下复合地基不同破坏模式的比较

Tab.2 Comparison of various failure mechanisms of composite foundation under flexible load

针对刚性桩桩体发生弯曲破坏的情况，可通过对素混凝土桩进行配筋的方式增强桩体延性，改变桩体的破坏后性状同时提高桩身抗弯承载力，进而增强复合地基稳定性．根据路堤下不同位置桩体阻滑机理不同，提出了对复合地基弯剪区及压弯区范围内的桩体进行配筋加强的分区非等强设计方法．这种设计方法通过提高关键桩的抗弯承载力和改善破坏模式，即可基本达到对全部桩体进行配筋加强的路堤稳定性，如图14所示．

图14 非等强设计方法

目前的刚性桩复合地基支承路堤稳定性研究中多考虑水平嵌固层，刚性桩的埋入下层硬土层的深度为0～2倍桩径，此时桩体的破坏模式多为弯曲破坏．Zhou等[75]发现当下卧层为倾斜面时，桩体易发生倾覆破坏．随着刚性桩嵌固深度的增加，桩体破坏模式由倾覆破坏转变为弯曲破坏，路堤下不同位置桩体受力特性以及对复合地基稳定的影响存在较大差异，仅需在关键部位增加部分桩体的嵌固深度，即可充分利用不同位置桩体的特性，经济有效地提高路堤的稳定性，如图15所示．

图15 非等长设计方法

4 结论与展望

通过回顾刚性基础下复合地基极限承载力和柔性荷载下复合地基稳定性问题的研究历程，提出以下结论与展望．

(1) 无论是刚性基础下的复合地基极限承载力问题还是柔性荷载下的复合地基稳定性问题，复合地基的破坏模式均可分为内部破坏和外部破坏两大类．内部破坏模式对于不同的荷载类型和复合地基类型呈现出不同的表现形式，其共同点在于桩身强度是控制复合地基破坏的主要因素；外部破坏模式在刚性基础下主要表现为刺入破坏，而在路堤荷载下主要表现为倾覆破坏，此时影响复合地基稳定性的主要因素为地基土强度，此时桩体的自身材料强度并未对承载力或稳定起到直接的贡献作用．

(2) 复合地基的加固体根据其不同的相对位置具有不同的潜在破坏模式．相应地，其对整体的极限承载力或者稳定性具有不同的贡献程度．复合地基在整体失稳之前，桩体的破坏是呈现渐进特性的，若不考虑这种渐进特性将显著高估稳定性．因此，进行桩体发生不同破坏模式的桩-土体系渐进破坏机理的研究和建立相关的分析方法是十分必要的．针对这种加固体的非一致性提出复合地基关键桩的概念以及相应的设计方法，可提升岩土工程的品质，具有较好的经济效益，符合可持续发展的理念．

(3) 随着对复合地基的破坏模式认识的不断深入，已有的考虑单一破坏模式计算方法应向考虑多破坏模式计算方法发展；基于概率方法的可靠度方法可以进行工程风险评估从而提供统一的工程判据，复合地基设计应考虑桩体、土体强度空间变异性等不确定性因素的影响，由确定性设计方法向基于可靠度设计方法发展；随着韧性性能(即抵御重大灾害、灾后恢复原有功能的性能)在岩土工程中越来越得到重视，已有的仅考虑极限状态的复合地基设计方法应向同时考虑破坏后性能和可恢复性能的设计方法发展，复合地基修复技术的研究与应用应得到更多的重视．

致 谢

本文的撰写过程中，得到了博士研究生赵佳鹏、夏博洋和于晓旋的协助，在此表示衷心感谢!

［1］ 郑 刚，龚晓南，谢永利，等. 地基处理技术发展综述[J]. 土木工程学报，2012，45(2)：127-146.

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State-of-the-Art Review of Ultimate Bearing Capacity and Stability of Composite Foundations

Zheng Gang1, 2，Zhou Haizuo1, 2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Soft soils are widely distributed in China，and projects are commonly conducted on soft ground. Thus，an appropriate ground improvement technology is needed to meet the construction requirements. The composite foundation with column-type technology has the advantages of high-efficiency improvement of foundation bearing capacity，control of foundation settlement and post-construction settlement and short construction period. It can meet the requirements of high bearing capacity and stability，low settlement(long-term settlement)，and high efficient and economical treatment of large areas of weak and poor grounds of high-rise buildings，highways，high-speed railways，roads，high-loaded landfill and other projects. Therefore，the composite foundation technology has been gradually developed into the main treatment method for weak grounds in China. On the basis of prior investigations，this paper summarizes that the formation conditions and classification methods of composite foundations. A considerable attention has been focused on the bearing capacity and the stability of composite foundations under a rigid footing and an embankment load，respectively. Based on whether the column strength has been fully mobilized，the failure mechanism of composite foundations can be categorized as internal failure(e.g. shear failure，bending/tension failure，bulging failure)and external failure(e.g. punching failure，tilting failure). Accordingly，the influence of failure mechanism should be considered during the limit state analysis. Additionally，an overestimate of stability is found when a simultaneous failure of columns is assumed，and this overestimate may cause a safety risk in engineering practice. Therefore，the establishment of a progressive failure analysis of pile-soil system is thus essential. Finally，this paper discusses the application of the concept of performance-based design in the technology of composite foundation. Improvements in theoretical level and new technology of composite foundations are expected.

composite foundation；column-type reinforcement element；bearing capacity；stability

郑刚，教授，博士生导师，天津大学研究生院常务副院长，教育部长江学者特聘教授，国家万人计划科技领军人才，科技部重点研发领域“重大土木工程安全与防灾”创新团队带头人．主要从事岩土与地下工程系统性能控制、复合地基承载力与稳定、基坑工程无支撑节约型支护技术方面的研究．承担“973”课题、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目等科研项目20余项，获国家科技进步奖一等奖 1项(排名第2)、国家科技进步奖二等奖1项(排名第1)，省部级科技进步奖一等奖6项(两项排名第1)．兼任国际土力学及岩土工程学会TC219技术委员会主席，中国土木工程学会土力学及岩土工程分会副理事长．

TU43

A

0493-2137(2020)07-0661-13

10.11784/tdxbz201912064

2019-12-22；

2020-01-10.

郑 刚（1967—  ），男，博士，教授，zhenggang1967@163.com.

周海祚，zhzrobby@163.com.

国家自然科学基金资助项目(41630641，51708405).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41630641，No. 51708405).

(责任编辑：樊素英)